На научно-практическую конференцию «Восточное партнерство» (07сентября -15 сентября 2013 г.) Польша

Разработка регулируемого охлаждения равнополочных угловых профилей

Канаев А.Т., Бакижанова Д. С., Богомолов А.В.

Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева

Астана, Республика Казахстан

Получение минимального коробления горячекатаных фасонных профилей проката

( уголки, швеллеры, двутавры и др.) является одним из главных требований для внедрения инновационной технологии совмещенной деформационно-термической обработки фасонных профилей, в частности, равнополочных уголков.

Известно, что наиболее приемлемыми способами охлаждения таких профилей, имеющих сложную геометрическую форму, являются спрейерное (душевое) охлаждение и система охлаждения в быстродвижущемся турбулентном потоке воды [1,2].

Каждый из этих способов охлаждения наряду с бесспорными достоинствами, имеет и свои недостатки, главным из которых является неглубокое охлаждение движущихся профилей из-за невысокой скорости охлаждения и, как следствие, слабое упрочнение прокатываемых изделий. Поэтому для достижения больших скоростей охлаждения в данной работе указанные два способа охлаждения совмещены и создана универсальная охлаждающая установка, которая, с одной стороны, позволяет изменять в нужном направлении температурное поле по сечению углового профиля, предотвращая возникновение больших термических и фазовых напряжений, вызывающих коробление, и, с другой стороны, интенсифицирует процесс охлаждения, что важно для деформационно-термического упрочнения низкоуглеродистых сталей с низкой прокаливаемостью и большими критическими скоростями закалки.

В угловых профилях распределение металла по сечению неравномерно: в вершине объем металла, приходящийся на единицу поверхности больше, чем на полках. Поэтому для равномерного охлаждения уголка количество воды, подаваемое на единицу поверхности вершины и полок, должно находиться в определенном соотношении. Это соотношение, по расчетным данным, равно 1.25 : 1.00, т.е. необходимо обеспечить повышенный отбор тепла от более массивных участков сечения, чему отвечает спрейерный способ охлаждения, позволяющий дозировать количество охлаждающей жидкости на различные участки сечения фасонного проката.

При одностороннем охлаждении уголков не обеспечивается одновременность структурных и фазовых превращений по сечению профиля, что является причиной коробления профиля. Охлаждение должно быть двухсторонним. Необходимо строго регламентировать расход воды на полки уголка снизу и сверху, а именно, соотношение расходов воды на единицу поверхности уголка сверху и снизу для полок должно быть 1.0 : 1.0, а для вершины уголка 1.0 : 1.5.

Стендовые исследования показывают, что при ускоренном охлаждении в закалочном агрегате коробление профиля закономерно происходит в сторону более интенсивного охлаждения, поэтому поддержание в процессе интенсивного охлаждения указанного соотношения расходов воды сверху и снизу для вершины и полок обеспечивает равномерное охлаждение, способствуя одновременности структурных и фазовых превращений и предотвращает коробление.

При таком способе подачи охладителя используется известная зависимость между расходом охлаждающей жидкости и количеством, отбираемого от горячего проката, тепла. Однако этот способ охлаждения не всегда дает желаемые результаты, так как существует предел, после которого увеличение расхода охлаждающей жидкости не приводит к увеличению интенсивности охлаждения. Высокие же скорости охлаждения весьма желательны при деформационно-термическом упрочнении движущегося проката, поскольку скорости прокатки фасонных профилей высоки (10-15м /с) и поэтому время их пребывания в установке регулируемого и глубокого охлаждения исчисляется секундами.

Спрейерное охлаждение водой, как и охлаждение погружением в воду, носит трехстадийный характер. В обоих случаях последовательно наблюдаются стадии замедленного, ускоренного и вновь замедленного охлаждения. Однако интенсивность теплоотвода водяным душем на всех стадиях в несколько раз больше, чем при охлаждении погружением в воду.

Наиболее объективной и надежной оценочной характеристикой охлаждающей способности душа является расход жидкости или пропорциональная ему скорость истечения струи из спрейера.

Стендовыми исследованиями установлено, что охлаждающая способность водяного душа возрастает пропорционально его расходу до значении 0,8 – 1,0 м³ /сек м²; в интервале от 0,1 до 1,0 м³ /сек м² зависимость коэффициента теплоотдачи – α от расхода воды (Q) может быть выражена уравнением

α = А + В Q 10⁵, (1)

где А и В коэффициенты, зависящие от относительной площади отверстий в спрейере.

При дальнейшем увеличении расхода воды рост интенсивности теплоотвода душем постепенно замедляется и при расходе Q ˃ 2,5 м³ /сек м² охлаждающая способность душа перестает зависеть от расхода воды.

Для получения одинаковой структуры и механических свойств по сечению проката необходимо, чтобы скорость охлаждения поверхности и сердцевины, а также массивных частей фасонного проката были бы выше критической скорости закалки. Это легко обеспечивается у сталей с высокой прокаливаемостью и относительно низкими критическими скоростями закалки. Прокаливаемость же низкоуглеродистых сталей типа Ст.3, из которых изготавливаются угловые профили, невелика и они характеризуются высокими критическими скоростями закалки. Поэтому установки регулируемого и интенсивного охлаждения для достижения критических скоростей охлаждения хотя бы поверхностного слоя упрочняемого профиля должны содержать узлы глубокого охлаждения.

Исследования [3,4] показали, что высокая интенсивность охлаждения металла может быть достигнута созданием больших степеней турбулизации потока воды. Это объясняется интенсивным отводом и конденсацией пара, а также непрерывным обновлением вступающих в процесс охлаждения объемов воды на всей поверхности охлаждаемого участка проката, чего невозможно достичь при других способах охлаждения (спокойная вода, водовоздушная смесь и др.) Паровые пузырьки за счет турбулентности потока отрываются от поверхности металла и конденсируются в холодной жидкости. При достаточно большом расходе воды скорость конденсации пара превышает скорость его образования, в результате кипение жидкости носит не пленочный, в пузырчатый характер, как известно, пузырчатое кипение обеспечивает наибольшую скорость охлаждения.

Высокую интенсивность охлаждения металла обеспечивает поточный блок глубокого охлаждения, представляющий собой охлаждающую камеру, в которую под давлением подают воду в количестве, достаточном для ее полного заполнения. Важным в конструкции поточного блока является то, что он снабжен системой подвижных (верхних) и неподвижных (нижних) разделителей, разбивающих полость внутреннего канала поточного блока на отдельные субкамеры.

В паре со струйным блоком поточный блок образует универсальное охлаждающее устройство, позволяющее осуществить управляемый технологический процесс охлаждения равнополочных угловых профилей. (Предварительный патент РК № 4683-Способ регулируемого охлаждения фасонных профилей сортового проката). Последовательность соединения струйного блока для избирательного охлаждения и поточного блока для глубокого охлаждения определяется решаемой технологической задачей (термическая правка, термическое или деформационно-термическое упрочнение).

Для избирательного теплоотбора от отдельных элементов равнополочного углового профиля (вершины, прилегающих участков, полок) в работе использован струйный блок, который представляет собой систему из 6 коллекторов, 3 нижних из которых смонтированы в неподвижном основании блока и 3 верхних собраны на откидной крышке. Каждый коллектор снабжен сменными соплами, формирующими струю охладителя и направляющими ее на определенный элемент раската.

Верхний коллектор подает систему струи на вершину и прилегающие участки профиля. Нижний коллектор подает струю охладителя на участок сопряжения полок. Верхний и нижний коллектора оснащены соплами с плоским симметричным факелом, а боковые - соплами с эксцентричным факелом. Ширина зоны охлаждения, образуемая системой струи от верхнего и нижнего коллекторов регулируются поворотом сопла в коллекторе при настройке на определенный профилеразмер.

Для гибкого управления процессом охлаждения движущегося проката коллекторы должны иметь высокую маневренность, Это обеспечивается тем, что, кроме индивидуального подвода воды, стенки каждого из коллекторов одновременно являются направляющими для движущегося профиля, что позволяет образовывать канал, соответствующий форме поперечного сечения уголка и тем самым центрировать движущийся профиль относительно охлаждающих потоков воды.

Практическая реализации принципа термической правки требует определения температурных режимов регулируемого охлаждения с целью максимального снижения термических остаточных напряжений в остывающем прокате. Из теории пластичности следует, что при рассмотрении возникновения термических остаточных напряжений в процессе ускоренного равномерного охлаждения угловых профилей можно выделить области упругого и пластического состояния металла [5]. Если обеспечить равенство температур по сечению углового профиля в момент перехода металла из пластического состояния в упругое, то можно предотвратить возникновение и рост уровня термических остаточных напряжений, поскольку возникающие в упругой области напряжения являются временными и исчезнут во время охлаждения металла на реечном холодильнике.

Анализ работ, посвященных определению температурной границы пластического и упругого состояний различных металлов показывает, что решающее влияние на эту границу оказывает величина максимальных термических напряжений, возникающие из-за градиента температуры по сечению профиля и величины предела текучести стали. По данным работы

[6] эта граница для угловых профилей 50 х 50 х 5 из углеродистой стали Ст.3сп находится в пределах 620-630⁰С. Эти температуры являются интервалом перехода стали из пластического состояния в упругое. Если обеспечить равномерное распределение температуры в этом интервале (620-630 ⁰С) по сечению охлаждаемого углового профиля, то при последующем охлаждении на холодильнике в стали не будут накапливаться остаточные деформации ни в результате ползучести, ни в результате мгновенной остаточной деформации, т.к. подстуженная полоса лучше противостоит медленно развивающейся и малой деформации в течение длительного времени и различным механическим воздействиям.

Общее количество воды (м³/час), необходимое для охлаждения угловых профилей от температуры конца прокатки до температуры перехода в упругое состояние, определяли по известной формуле:

G_{b =} [ V F ρ c (t_к.п. – t_с.о.)] / ∆t_b ρ_b c_b, (2)

где V – скорость прокатки (скорость прохождения полосы через охлаждающее устройство), м/с

F- площадь поперечного сечения уголка, м²

ρ - плотность стали, кг/м³

c – теплоемкость стали, кДж/кг град

t_к.п. – температура конца прокатки, ⁰С

t_с.о. – температура конца охлаждения ( самоотпуска или перехода в упругое состояние), ⁰С

∆t_b – разогрев отработанной воды, ⁰С

ρ_b - плотность воды, кг/м³

c_b, - теплоемкость воды, кДж/кг град

Для управления уровнем остаточных термических напряжений, ответственных за искривление угловых профилей в вертикальной плоскости, необходимо осуществлять раздельное охлаждение вершины и полок для устранения неравномерности их температур в двух последовательно соединенных струйных блоках.

Первый по ходу прокатки струйный блок используется для направленного избирательного охлаждения массивных элементов уголка (вершины), т.е. на этой стадии выравнивается температура по сечению профиля путем подстуживания вершины уголка до температуры полок, а второй струйный блок применяется для общего охлаждения по всему периметру до температуры перехода из пластичного в упругое состояние (620-630 ⁰С).

Кроме того, такая схема охлаждения оказалась необходимой для предотвращения прогиба концов полос книзу, происходящем обычно в том случае, когда вершина уголка значительно переохлаждается относительно полок [7].

Для равнополочных угловых профилей из углеродистой стали Ст.3сп., опробованные режимы для реализации принципа «термической» правки приняты следующими:

Угловой профиль, Давление охлаждающей воды, МПа

45 х 45 х 5 0,43 / 0,37

50 х 50 х 5 0,48 / 0,41

56 х 56 х 5 0,57 / 0,45

63 х 63 х 6 0,60 / 0,50

Слева от косой черты указаны давления воды в подводящем коллекторе для общего охлаждения, справа – для охлаждения вершины уголка. В процессе эксперимента контроль разработанных режимов охлаждения проводили путем замера температуры на первой приемной плите, а его кривизны на стеллажах реечного холодильника.

Эксперименты показали, что для термической правки уголка температура вершины должна составлять ~ 600 ⁰С, а полок ~ 670 - 680 ⁰С. При дальнейшем охлаждении на холодильнике вследствие более интенсивного охлаждения полок и передачи тепла от вершины к полкам температура уголка выравнивается при 620 - 630 ⁰С. Эта температура и является верхней границей области термоупругих напряжений и поэтому возникающие при охлаждении до температуры цеха (20-30⁰С) напряжения оказываются упругими и не вызывают остаточной деформации уголка.

Результаты измерения стрел прогиба уголков 50х50х5 мм длиной 7м после регулируемого охлаждения в сравнении с их величиной при охлаждении по старой технологии (горячекатаное состояние) показывает уменьшение стрелы прогиба в несколько раз. Так, стрела прогиба указанных уголков длиной 7 м не превышает 0,4 % от их длины, что отвечает требованиям ГОСТ 8509-96 по прямолинейности (4 мм на погонный метр).

Эксперименты показали также, что для стабильного поддержания режимов регулируемого охлаждения необходимо, кроме вентилей общего и струйного (секционного) охлаждения, и коллекторное регулирование давления и расхода воды.

Выводы

1. В процессе охлаждения коробление уголков закономерно происходит в сторону более интенсивного охлаждения; при значительном переохлаждении вершины уголка относительно полок прогиб концов полос на холодильнике происходит книзу.

2. Для обеспечения равномерного охлаждения и предотвращения коробления уголков соотношение расходов воды на единицу поверхности уголка сверху и снизу для полок должно быть 1.0 : 1.0., а для вершины уголка 1.0 : 1.5.

3. Установлено, что термическая правка обеспечивается двухстадийным охлаждением, характеризующимся тем, что на первой стадии выравнивается температура по сечению профиля путем подстуживания вершины уголка до температуры полок. Во второй стадии уголок охлаждается по всему периметру равномерно до температуры 620-630 С.

4. Для двухстадийного избирательного охлаждения уголков использована струйная система, снабженная, кроме вентилей общего секционного (струйного) регулирования, дифференцированное коллекторное регулирование расхода и давления охлаждающей воды

Литература

1. Минаев А.А. Совмещенные металлургические процессы. Донецк, УНИТЕХ, 2008.-552 с.

2. Исаченко В.П., Кушнырев В.И. Струйное охлаждение. Москва, Энергоатомиздат,1984, 216 с.

3. А. с. 1340857 (СССР) МПК В 12 В 45/02. Устройство для охлаждения сортового проката / Минаев А.А., Ю. Е. Бердичевский, В. П. Следнев и др. Бюл. № 36

4. А. с. 1811929 (СССР) МПК 5В 21 В 45/02. Устройство для охлаждения сортового проката / Минаев А.А., Ю. Е. Бердичевский, П.Ф. Бублик и др. Бюл. № 16

5. Смирнов В.С. Теория обработки металлов давлением. Москва, Металлургия, 1973, 496 с.

6. Аршавский В.З., Вакула Л.А. Разработка и освоение регулируемого охлаждения проката в потоке стана. Сталь, 1981, № 1, с.80

7. Канаев А.Т. Повышение качества сортового проката совмещенной деформационно-термической обработкой. Павлодар, Изд-во «Арман-ТВ», 2009,180 с.

Работа выполнена по бюджетной программе «Научная и/или научно-техническая деятельность». Приоритет «Глубокая переработка сырья и продукции», по теме «Разработка инновационной технологии деформационно-термического упрочнения фасонных профилей проката из углеродистых и низколегированных сталей».